引言

2016年11月14日在新西兰南岛北部发生了MW 7.8地震,新西兰地质与核科学研究所(GNS)将此次地震命名为凯库拉(Kaikoura)地震,震中位置为42.69°S、173.02°E,震源深度15km(图 1)。在主震后14个小时内,发生了4次MW 6.0—6.9的余震。此次地震以其复杂的地震地表破裂带而在世界上引起广泛关注(Hamling等,2017韩竹军等,2017)。Hamling等(2017)根据断层反演模型获得的地震震源破裂过程持时为120s,地下10km深度上的位错量达到20m。在地震地表断裂带南北两侧、即震中区附近的怀奥(Waiau)和远离震中约125km的沃德(Ward)水平和垂直峰值加速度都大于1g(Kaiser等,2017)。在科科仁古谷地的强震仪也记录到1g的峰值加速度值,在首都惠灵顿地区的水平峰值加速度值为0.28g左右。许多城镇的反应谱加速度值都超过了500年重现期的设计谱。


F1:贺姆普斯(The Humps)断裂;F2:南里德尔(South Leader)断裂;F3:北里德尔(North Leader)断裂;F4:珲达里(Hundalee)断裂;F5:查威(Charwell)断裂;F6:鄱恩特肯(Point Kean)断裂;F7:上蔻海(Upper Kowhai)断裂;F8:约顿(Jordan)断裂;F9:帕帕提(Papatea)断裂;F10:菲德葛特(Fidget)断裂;F11:科科仁古(Kekerengu)断裂;F12:尼德斯(Needles)断裂
图 1 新西兰凯库拉MW 7.8地震地表破裂带与峰值加速度分布图1 Fig. 1 Distribution of the fault surface ruptures and peak acceleration of the Kaikoura MW 7.8 earthquake, New Zealand

1 地震地表破裂带分布特征参考网站http://info.geonet.org.nz/的图片DOI_10_21420_G2RC7C_Displacement_28Feb2017. jpg,根据野外实际调查,略有修改;主震位置据新西兰地质与核科学研究所;峰值加速度据Kaiser等(2017);主要余震据美国地质调查局;活动断裂据Langridge等(2016)图 2图 4-6的位置也表示在该图上。

此次地震在地震灾害损失方面产生了30—80亿新西兰元的重建费用(Kaiser等,2017)。总体而言,新西兰地广人稀,但凯库拉地震地表断裂带分布范围内及其邻近地区属于人口相对稠密的地区,如凯库拉镇人口约3500人;汉默温泉游客和居民数量与凯库拉镇相当,一般为千余人;震区所属的马尔堡(Marlborough)地区人口约40000人;离震中约4km的怀奥(Waiau)人口约250人。尽管如此,此次地震只造成了2人死亡,其中1人死于房屋的直接倒塌(房屋属于历史古屋,砖混结构),另1人在地震中触电而亡。

我国防震减灾工作实行“预防为主、防御与救助相结合”的工作方针,从注重灾后救助向注重灾前预防转变。新西兰在凯库拉MW 7.8地震(转换中国通用的面波震级MS 8.0—8.1)所表现出的低伤亡率无疑值得我们分析和总结。应西兰凯库拉地震破裂带现场考察负责人及新西兰地质与核科学研究所(GNS)活动构造地貌室主任尼古娜·利茨费奥德(Nicola Litchfield)研究员邀请,我们于2017年3月5—20日进行了凯库拉(Kaikoura)MW 7.8地震的现场考察。韩竹军等(2017)在重点调查了贺姆普斯断裂(F1)、南里德尔断裂(F2)、北里德尔断裂(F3)、珲达里断裂(F4)、查威断裂(F5)、帕帕提断裂(F9)和科科仁古断裂(F11)等地震地表破裂带的基础上,对凯库拉地震的构造特征进行了分析和讨论。本文通过现场地震灾害调查、尤其是与地震地质灾害相关的破坏现象调查,认为新西兰在凯库拉地震中的低伤亡率和低破坏率(指乡镇建筑)不是偶然的,并非只是地广人稀,而是与有目的的预防密不可分,可以在提高抵御地震灾害能力等方面为我们提供有益的启示。

1 地表破裂带与建筑物破坏状况

凯库拉地震至少产生了12条存在米量级位错的地表断裂(图 1)(Hamling等,2017),另有3—4条地震地表断裂有待进一步查明(Kaiser等,2017),这些断裂跨过了2个活动方式与活动强度存在显著差异的地震构造区,总体走向北东,分布在约长170km、宽35km的范围内。12条地震地表断裂的走向变化较大,总体上可分为北东—北东东向和北北西—近南北向2组。凯库拉地震地表断裂带向北东至科科仁古断裂区段时,构造变形从原先散布在多条地表断裂上变为集中在单一断裂上,即科科仁古断裂,该断裂上总水平位错量一般大于5m,而其它北东—北东东向地震地表断裂上,水平位错量一般小于2m。凯库拉地震地表最大水平位错量出现在北东—北东东向科科仁古断裂(F11)上,最大右旋位错量可达10—12m(Hamling等,2017),实测位置和依据为图 2(b)中绿色箭头所指的道路右旋断错距离。对比震前和震后的遥感影像(图 2(a)(b)),可以清楚地识别地震破裂带的分布和断错性质,以及道路、河岸、树丛、栅栏等发生的同步右旋错位。在野外调查中,仍可见河边树行被右旋水平断错8—10m(图 2(c));牧场有杉树丛组成的栅栏被右旋水平断错约9.5m(图 2(d))。


(a)地震地表破裂分布图,底图为震前遥感影像,据Google Earth 2016年2月14日图像;(b)震后遥感影像,据Google Earth 2016年11月15日图像,红色箭头指示地震地表破裂分布位置;(c)、(d)、(e)为现场调查照片,拍摄地点参见图(b)
图 2 科科仁古断裂上地震地表破裂带与建筑物破坏状况 Fig. 2 The building damage along earthquake fault surface rupture at the Kekerengu fault

牧场有一幢房屋坐落在地震地表破裂带上。虽然,在地震过程中地基下发生了10—12m的相对右旋断错,使得房屋上部结构(即房屋的主体部分)相对于房屋地基向南西平移了5—6m,但房屋上部主体部分基本完整,没有出现倒塌(图 2(e))。经牧场主Hamish Murray先生介绍,地震时,其13岁儿子正在该房屋中;震后,孩子安然无恙地从房屋走出来。经与在现场考察的英国谢菲尔德大学安迪·罗兹(Eddie Rhodes)教授讨论,这与采用隔震技术有关。隔震技术的核心思想是“以柔克刚”,在房屋地基与房屋上部主体之间采用一种侧向刚度很小的隔震系统(图 3),以集中发生在隔震层的较大相对位移,阻隔地震能量和位移向上部结构传递,在很大程度上减少地震时上部结构的加速度和层间位移,从而大大减少上部结构的地震反应。采用这种技术后,上部结构的变形类似于刚体的平动,地震反应没有放大现象。如图 2(e)所示,房屋上部的主体结构在地震中基本上保持了一种整体的平移,而上部结构与地基之间5—6m的平移与它们之间的柔性结构(侧向刚度很小的隔震系统)密切相关(图 3)。


图 3 隔震系统示意图 Fig. 3 Illustration of shaking isolation system

在凯库拉MW 7.8地震中,地表破裂带上的最大垂直位错出现在北北西—近南北向的帕帕提断裂(F9)上。在该断裂北端附近,对比Google Earth提供的震前(2016年3月26日)和震后(2016年11月15日)遥感影像(图 4(a)(b)),可以看出地震地表破裂带深刻地改变了地形地貌特征,原先平坦的草场上形成了一个新的河道。在野外调查中,尽管在地震地表断裂与原先河流交汇处修建了一个临时堤坝,阻止了河流的改道,但在图 4(c)的左下仍可看出约5m的垂直位移量,以逆断裂性质为主。地震地表破裂有如一堵突然出现的“墙”,横亘在平坦的草原之上,最大垂直位错量可达5—6m(韩竹军等,2017)。地表破裂带附近的山体也出现大规模滑坡或崩塌(图 4(d)),几乎从山顶开始的大半个山体被震塌。桥梁断成数段,倒塌在河道中(图 4(e))。有一座庄园的主体房屋坐落在逆断裂性质的地震地表破裂带上盘附近(图 4(b)),该区段的地表变形或者地震动加速度都非常强烈(徐锡伟等,2016)。在周围的“地崩山裂”中,尽管房屋由于地基变形出现歪斜,但整体性基本保持完好,未出现倒塌或部分倒塌现象。虽然地震产生了完全重建的费用,但没有造成严重的人员伤亡。


(a)地震地表破裂带分布图,底图为震前遥感影像,据Google Earth 2016年3月26日图像;(b)震后遥感影像,据Google Earth 2016年11月15日图像;(c)、(d)、(e)、(f)为现场调查照片,拍摄地点参见图(b)
图 4 帕帕提断裂北段地震地质灾害与房屋破坏状况 Fig. 4 The earthquake geological disasters and the building damage at the north section of the Papatea fault
2 地震滑坡崩塌与建筑物破坏状况

凯库拉地震产生了数万个滑坡体,这些滑坡的分布面积可达10000km2,密集分布区也有3500km2,最大滑坡体可达数百万立方米。在地震现场,地震滑坡常与崩塌伴生在一起,有时难以区分,都属于边坡失稳现象。沿着北北西—近南北向的帕帕提断裂,在山区地带,地震地表破裂带垂直断错作用与强地面运动中振动效应的共同作用,导致严重的边坡失稳和地震滑坡的形成(图 5)。逆断裂性质的地表破裂带宽度可达110—140m。


(a)地震地表破裂带分布图,底图为震前遥感影像,据Google Earth2016年3月26日图像;(b)、(c)为震后遥感影像,据Google Earth2016年11月15日图像;(d)、(e)为现场调查照片,拍摄地点参见图(c)
图 5 帕帕提断裂中段地震地表破裂带与地震滑坡 Fig. 5 The earthquake fault surface rupture and earthquake landslides at the central section of the Papatea fault

在珲达里断裂(F4)与1号公路和南岛东海岸铁路线交汇处,地震地表破裂带发育特征清楚(图 6(b)),水平右旋位错量约1.0—1.5m,垂直位错量约1.5m,右旋-逆断裂性质,北盘上升,南盘下降(图 6(c))。在地表破裂带延伸方向上,山体出现崩塌。有一房屋坐落在地表破裂带与山体崩塌体之间,与两者距离都在数米之间。经过对房屋四周的详细考察(图 6(d)(e)(f)),均未见破坏,房屋也没有出现歪斜或开裂,这可能与房屋位于逆断裂下盘有关。地震崩塌体也没有对房屋造成直接冲击,则得益于房屋的选址以及后期的绿化和植被保护。从震前的遥感影像(图 6(a))可以看出:房屋并没有直接建造在凸出的山嘴下方,而是山嘴侧前方相对缓坡的地带。在房屋正对的山坡地带,植被明显比两侧要茂盛。从图 6(e)(f)可以看出:崩塌主体并不直接对着房屋,尽管分布范围已经超出房屋,但未对建筑造成破坏;虽然崩塌体的侧面对着房屋,也有石块崩塌,但在滚落过程中受到茂密植被的阻挡,也没有影响到房屋的功能或造成破坏,更没有人员伤亡。


(a)地震地表破裂带分布图,底图为震前遥感影像,据Google Earth2015年2月18日图像;(b)震后航空照片,据GNS;(c)、(d)、(e)、(f)为现场调查照片,拍摄地点参见图(b)
图 6 珲达里断裂与1号公路交汇处地震地表破裂带、崩塌与房屋破坏状况 Fig. 6 The earthquake fault surface ruptures, land-collapse and building damage at the intersection of Hundalee fault and Highway No.1

上述夹持在地震地表破裂带与山体崩塌之间的房屋及其居民在地震中“好运气”不是偶然的,而是有目的防范,这从图(7)中的一处民居得到验证。从震前的遥感影像(图 7(a))可以看出:房屋不是建在突出山嘴下方,而是两个山嘴之间的缓坡地带,避开了高陡坡(当然也需要避免不稳定斜坡或古滑坡体)。在房屋对着的山坡地带,从山脚一直到山顶都保留或种植了茂密的树木,而其它地带植被稀疏。凯库拉地震在该段山坡普遍造成了崩塌(图 7(b)),但与房屋相对的山坡崩塌明显较轻,且对房屋没有造成破坏(图 7(c))。


(a)震前遥感影像,据Google Earth 2015年2月18日图像;(b)震后遥感影像,据Google Earth 2016年11月14日图像;(c)现场调查照片
图 7 沃罗村北山体崩塌与房屋破坏状况 Fig. 7 The land collapse and building damage at the north of the Oaro village
3 讨论与小结
3.1 讨论

(1)与地震地表破裂带相关的设防问题

自从活动断裂在地震灾害中的作用越来越突出的观点提出后(中国地震局赴土耳其地震现场考察专家组,2000),城市隐伏活动断裂探测工作广泛开展,使得活动断裂避让带的概念得到了普及(徐锡伟等,2016),但如何准确地预测未来大震地表破裂带分布特征还存在一些有待解决的科学问题。中国大陆有历史地震记载以来(国家地震局震害 防御司,1995),并没有2次MS>7.0地震是完全原地复发的,反映了中国大陆或者板内地震与地表活动断裂之间复杂的对应关系。如果中国大陆中东部地区1条活动断裂在千余年尺度上没有出现重复的大震事件,应该从概率水平来研究一般建筑对全新世活动断裂进行避让的科学性和经济性。另一方面,一些大震地表破裂带出现在我们先前认为没有活动断裂或者发震能力估计不足的地区,如1975年海城7.3级地震、1976年唐山7.8级地震、2008年汶川8.0级地震等(邓起东等,1976虢顺民等,1977徐锡伟等,2008邓起东,2008杨晓平等,2009)。因此,对于一般的建筑物而言,应该从提高房屋抗震设防能力方面来抵御地震地表破裂带的破坏。

新西兰乡镇民居房屋在凯库拉MW 7.8地震中的表现为我们提供了有益的启示。在凯库拉地震地表破裂带中,北东—北东东向的科科仁古断裂水平右旋位移量最大,为10—12m;北北西—近南北向的帕帕提断裂垂直位移量最大,达到5—6m,直接坐落在这两条地表破裂带或变形带之上的2幢房屋尽管出现歪斜,但房屋上部主体部分基本完整,没有出现倒塌或部分倒塌现象。新西兰是第一个开发并应用隔震系统设计于普通建筑物的国家(傅育安,1988),凯库拉地震现场的调查表明:这种“以柔克刚”的抗震技术能够有效减轻地震过程中的强地面运动和沿着活动断裂的同震错动对建筑物的破坏。惠灵顿活动断裂纵贯新西兰首都惠灵顿市区(Han,2003),并且与1855年MW 8.2地震的怀拉拉帕(Wairarapa)断裂存在密切的构造联系。在无法回避活动断裂及其大震危险性的情况下,有效地提高建筑物抵御地震灾害的能力是一种可行的办法。

(2)对地震滑坡崩塌的预防问题

在2008年汶川MS 8.0地震中,地震触发了15000多处滑坡、崩塌、泥石流,估计直接造成2万人死亡(殷跃平,2008)。青川东河口滑坡发生在映秀-北川地表破裂带的北东端点(袁仁茂等,2010),致使7个村庄被埋,约780人死亡。2016年新西兰凯库拉MW 7.8地震产生数万个滑坡体,这些滑坡的分布面积可达10000km2,密集分布区也有3500km2,最大滑坡体可达数百万立方米(Kaiser等,2017)。除了对公路交通造成破坏外,未见人员在地震滑坡崩塌中伤亡或者建筑物被滑坡崩塌覆盖填埋的报道。这固然与新西兰人口稀疏以及滑坡体规模有关,但对沃罗村北边2处山坡地带的房屋考察结果表明,房屋及其居民在地震中的“好运气”不是偶然的,而是与有目的防范密不可分。至少从2个方面进行了考虑和处置:一是在选址上,避开突出山嘴等高陡坡地带;二是在房屋正对的山坡地带,种植或保护了茂密的树木,这既增加了山体的稳定性,也可以在地震中有效地减缓崩塌的石块对房屋的冲击。

3.2 小结

通过对2016年凯库拉MW 7.8地震灾害现场的调查,可以得到如下一些认识及启示:

(1)北东—北东东向科科仁古断裂和北北西—近南北向帕帕提断裂分别是凯库拉MW 7.8地震中水平和垂直位移量最大的2条断裂,分别达到10—12m和5—6m,直接坐落在这2条地表破裂带或变形带之上的2幢房屋尽管出现歪斜,但房屋上部主体部分基本完整,没有出现倒塌或部分倒塌现象。在无法回避活动断裂及其大震危险性的情况下,隔震系统的采用可以有效地提高建筑物抵御地震灾害的能力。

(2)在2016年新西兰凯库拉MW 7.8地震中,未见人员在地震滑坡崩塌中伤亡或者建筑物被滑坡崩塌覆盖填埋的报道,房屋及其居民在地震中的“好运气”不是偶然的,而是与有目的防范密不可分。

(3)对新西兰凯库拉地震灾害现场的考察,在如何有效抵御地震灾害方面给我们提供了很好的启示。震前的有效预防措施很重要,包括避让活动断裂、采用减隔震技术、避开滑坡体等。

致谢: 新西兰地质与核科学研究所Nicola Litchfield、Robert M Langridge、Russ J Van Dissen和PilarVillamor提供了详细的基础地质资料,并做了广泛而又深入的介绍;在现场调查中,与新西兰GHD Limited工程地质学家Dick Beetham以及英国University of Sheffield的Eddie Rhodes教授进行了有益的讨论,特此致谢。
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